二維材料於場效電晶體的應用

場效電晶體(Field Effect Transistor；FET)的核心是通道(channel)，材料是半導體。它的一邊接源極(source)，一邊接汲極(drain)，這兩個是場效電晶體中載子(carrier)的來處與去處。通道上有一層絕緣體，之上還有閘極(gate)，用來控制電晶體開關。當閘極施加電壓，底下的半導體變成導體，電流從源極流到汲極，這時處於「開」的狀況。電壓移去後，電晶體就回復「關」的狀況，這是半導體的ABC——控制，電子線路一切都是關於控制。

製程持續微縮後，通道也變短，載子在閘極沒有施加電壓時，也會從源極漏到汲極，這便是漏電流，伴隨而來的是焦爾效應產生的熱。這兩個主要的負面效應就叫短通道效應(short-channel effect)，從20幾nm就開始困擾業界。

到了14nm，業界的電晶體全數改為鰭式電晶體(FINFET)，它從平面的製程改成準三維製程，用閘極(當然還有氧化層)將通道的兩面或三面包起來，大幅改善漏電流的問題。但是到了數nm，這方法又不靈了，問題重新浮現。當然也有靠幾何結構的解決方法，像閘極全環場效電晶體(Gate All Around FET；GAA FET)、多橋通道場效電晶體(Multi Bridge Channel FET；MBCFET)等將通道包得更密實，但也有從材料端下手的。

用二維材料做通道有先天上的優勢。三維材料在空間的三個軸上晶格與鍵理論上都是無限延伸的，這樣每一個鍵都可以從鄰近的原子取得足夠的電子而呈穩定狀態。但若是在某一方向晶格停止了—譬如遇到另一種材料形成界面，界面上的鍵由於沒有原先的原子再鍵結，就形成了懸空鍵(dangling bond)，這些鍵懸在那兒不穩定，會散射或陷住電流中的電子，降低傳導性質，在通道變得愈薄、愈短時，這效應愈顯著。

而二維材料所有的鍵在二維平面上，與其他層物質是以凡得瓦力吸引，天生沒有垂直於平面方向的懸空鍵，所以二維材料有諸種好的傳導性質，譬如它的載子移動率(mobility，當施加一電場後，載子速度與電場的比例常數，單位是cm²/V-s)極高，功耗自然低，開關速度也快。

最早發現的二維材料石墨烯傳導性質是半金屬，並不是半導體，導電與否無法由外加電壓之有無來操控。二維材料於半導體應用的注意力首先放在二硫屬化合物(Transition Metal Dichalcogenide；TMD)中的二硫化鉬(MoS₂)，因為它的豐度極高。由於雜質、空缺等因素，它是n型半導體。後來二硒化鎢(WSe₂)也列入考慮，它是雙極(ambipolar)半導體。

以它們做通道的場效電晶體都顯示了優良的性質。銅的移動率約為30cm²/V-s，而二硫化鉬長於二氧化矽上的單層薄膜移動率至少與銅相若，二硒化鎢的更在一個數量級以上。開、關狀態的電流比都在10⁷以上，也就是說漏電流不再是一個問題。

世界上的事物沒有俱全的，難處呢？通道兩側的接觸(contact)很難做，尤其是歐姆式(ohmic，施加的電壓和電流呈線性關係)的接觸。從開始做二維電晶體原型起，各式各樣作接觸的方式都被提出，譬如用植入大幅增加載子密度以確保接觸有歐姆式行為，最近提出的是用轉印的方式。

現在這些原型都顯示優異的電晶體性質，說明在元件物理上這是充分可行的，問題在於量產效率以及元件特性是否穩定。如果真是這樣的話，我不愁，可以賺錢的東西總是會有人將它做出來、做好的。從過去的經驗，半導體產業一定會把已投入的資產榨出最後幾滴價值，所以找出方法讓製程多走幾個節點也是必然的。老定律不死，只是逐漸緩慢而已！